Выполнение работы.

1.Изучить установку.

Лабораторный стенд «Газовая динамика» (далее – стенд), предназначен для проведения практических и лабораторных ра-бот, обеспечивающих изучение основных законов движения га-зовых потоков в каналах различной конфигурации и площади поперечного сечения в курсах «Механика жидкости и газа», «Основы гидропривода. Гидравлические и пневматические сис-темы», «Транспортная энергетика», «Термодинамика и рабочие процессы двигателей».

Стенд обеспечивает изучение:

– основных уравнений механики жидкостей и газов;

– основных законов движения потока в каналах, дросселях, клапанах;

– законов движения потока в условиях местных сопротивлений

– особенностей работы нагнетателей, сопел и диффузоров, смесителей, эжекторов;

– гидравлических сопротивлений систем снижения шума;

– измерительной аппаратуры и методов измерения.

Рабочее тело (атмосферный воздух), нагнетаемое воздуходувкой, размещенной с обратной стороны установки (рис. 8.1), подается в распределительный трубопровод 2. Установка содержит четыре продувочных линии, управление которыми осуществляется при помощи заслонок 5.

Первая линия продувки содержит гладкостенную продувочную трубу 3, продувочный гофр 4 и модель клапанного комплекта механизма газораспределения поршневого двигателя внутреннего сгорания 8. Вторая линия продувки включает в себя

Рис. 8.2. Лабораторный стенд«Газовая динамика»

1 – Панель управления стендом и регистрации измеряемых параметров;

2 – Распределитель;

3 – Продувочная труба;

4 – Продувочный гофр;

5 – Воздушная заслонка;

6 – Пластинчатый дроссель;

7 – Глушитель шума;

8 – Клапанный модуль;

9 – Диффузор;

10 – Эжектор;

11 – Сопло;

12 – Газо-жидкостный смеситель

пластинчатый дроссель 6 и автомобильный глушитель шума 7. В состав третьей линии продувки входит сопло 11, эжектор 10 и дозвуковой диффузор 9. Четвертая линия представляет собой газо-жидкостный смеситель 12 с емкостью для сбора жидкости.

Для контроля температуры и давления газового потока в каналах, полостях и продувочных модулях размещены приемники давления и датчики температуры с индикацией параметров на панели управления стендом. Применение воздуходувки с регулируемой частотой вращения колеса нагнетателя обеспечивает возможность плавной регулировки расхода воздуха в каналах, трубопроводах и продувочных модулях лабораторной установки.

Отвод рабочего тела осуществляется при помощи отводящих трубопроводов с обратной стороны стенда.

В соответствии с комплектом поставки стенда и составом монтируемой измерительной аппаратуры, лабораторный стенд обеспечивает проведение следующих лабораторных работ:

1. Гидравлическое сопротивление цилиндрической гладкой и гофрированной трубы;

2. Гидравлическое сопротивление клапанного и пластинчатого дросселя. Определение эффективного проходного сечения клапана;

3. Гидравлические потери при внезапном изменении геометрических характеристик потока;

4. Определение степени повышения давления и коэффициента сопротивления дозвукового диффузора;

5. Определение гидравлических характеристик и коэффициента расхода дозвукового сопла;

6. Определение коэффициента эжекции газового эжектора;

7. Определение расхода жидкости и воздуха газо-жидкостного смесителя;

8. Гидравлические потери в системе снижения шума двигателя внутреннего сгорания;

9. Определение степени повышения давления и технической работы центробежного нагнетателя;

10. Оценка полной температуры потока. Определение теплообмена через стенки газового тракта.

2.Провести измерения.

Схема исследуемого трубопровода (продувочного модуля) приведена на рис.8.3.Атмосферный воздух, нагнетаемый компрессором, проходит через распределительный модуль и перетекает в продувочную трубу. В сечениях 1, 2 и 3 продувочной трубы расположены приемники полного (Р) и статического (Р₀) давления воздуха. Регистрация давлений выполняется с использованием жидкостных дифференциальных манометров.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Рис.8.3.

Рис.8.3. Схема продувочного модуля (трубы) с тремя сечениями.

А) Запустить воздуходувку и определить несколько скоростных режимов испытаний;

Б) На различных режимах работы воздуходувки оценить показания манометров при замере полного и статического давлений; данные занести в табл.8.2. Отключить установку.

В) Оценить скорость потока uв 3-х различных сечениях, используя определение полного напора: полный (гидродинамический) напор складывается из пьезо-метрического (статического) Р_сти скоростного Р_дин: Р₁ = Р_1ст+ Р_1дин ; Р₂ = Р_2ст + Р_2дин (8-24) Р_дин= (8-25)

Отсюда u = (8-26)Данные занести в табл. 8.3.Г) Рассчитать газодинамическую функциюπ(λ) = (8-27), а затем, используя формулы (8-14)-(8-16), найти коэффициент скорости λи скорость газа в данном сеченииu. Сравнить полученные данные с экспериментом. Сделать выводы о режиме течения газа. Данные занести в табл.8.4Д) Используя формулу (8-19) оценить значения массового расхода воздуха в первом сечении. Полученные данные использовать для нахождения числа Рейнольдса (ф-ла 8-20).Е) Определить область турбулентного течения газа, подоб-рать ф-лу и провести расчёт коэффициента гидравлического трения λ_тр.. Полученные данные занести в табл.8.4.Ж) Провести приближённую оценку потерь давления на трения используя соотношение (8-23). Полученные данные занести в табл.8.3.

Табл.8.2. Данные эксперимента по измерению избыточного давления

№ п/п	h1ст, м	h1, м	h2ст, м	h2, м	h3ст, м	h3, м
1
2
№ п/п	Р1ст, Па	Р1, Па	Р2ст, Па	Р2, Па	Р3ст, Па	Р3, Па
1
2

Табл. 8.3. Рассчитанные значения скорости движения воздуха в трубе и потерь давления на трение.

№ п/п	u1,	u2,	u3,	∆р1-2	∆р2-3
1
2

Табл.8.4. Рассчитанные значения газодинамической функции π(λ), коэффициента скорости λи значений скоростиu_гна основе таблиц газодинамических функций для воздуха.

№ сеч.	π(λ)	λ	uг,	Re	λтр	Qm,
1
2
3

3. Обработка результатов. Пример проведения расчётов.

В эксперименте получены следующие значения высот водяного столба дифференциального манометра:h_1ст= 0,17 м; h₁ = 0,190 м; h_2ст=0,153 м; h₂= 0,190 м; h_3ст= 0,145 м; h₃= 0,170 м. Температураt⁰₁= 31⁰C:t⁰₂= 30⁰C; t⁰₃= 29⁰C.Комнатная температураt⁰_к= 28⁰C.

Согласно справочным данным, плотность воздуха при данных температурах меняется от 1,169 до1,161 . Расхождение составляет0,7%, поэтому для расчётов можно использовать значение плотности воздуха ρ = 1,17 . Использование значения плотности при 20⁰С ρ = 1,205 (рекомендуется в Инструкции по использованию стенда) даёт ошибку в 3%, поэтому при данных температурах мы используем значение ρ = 1,17 .

При небольших изменениях абсолютного давления в потоке воздуха, получаемых в данной работе, значения плотности воздуха согласно уравнению Менделеева-Клапейронаρ = ( 8-28)изменяются всего на 0,3%, что позволяет считать плотность воздуха в данном эксперименте величиной постоянной.

Примечание: эксперименты по изучению термодинамических процессов показывают, что при небольших изменениях давления уравнение Менделеева-Клапейрона хорошо описывает поведение реального воздуха.

Расчёты.

а) Находим значения статического и полного давлений, используя измеренные значения высот водяного столба в дифференциальном манометре ( плотность воды при комнатной температуре 28⁰С ρ_ж=996,0 ):

Р_1ст= ρ_ж∙g∙h_1ст= 996,0 ∙9,8 ∙ 0,17 м =1660 Па

Р₁= ρ_ж∙g∙h₁ = 996,0 ∙9,8 ∙ 0,19 м = 1855 Па

Р_2ст= ρ_ж∙g∙h_2ст= 996,0 ∙9,8 ∙ 0,153 м =1490 Па

Р₂= ρ_ж∙g∙h₂ = 996,0 ∙9,8 ∙ 0,19 м = 1855 Па

Р_3ст= ρ_ж∙g∙h_3ст= 996,0 ∙9,8 ∙ 0,145 м =1415 Па

Р₃= ρ_ж∙g∙h₃ =996,0 ∙9,8 ∙ 0,170 м = 1660 Па.

б) Находим значение скорости движения воздуха в сечениях 1,2,3(ф-ла 8-26):

u₁ = = = = 18,3 .

u₂ = = = = 25,0

u₃ = = = = 20,5

в) Находим значение газодинамической функции (ф-ла 8-27):

π₁(λ) = = = 0,9980

Примечание: для нахождения абсолютных значений давле-ний необходимо к избыточному давлению прибавить атмос-ферное давление. В технических расчётах его значение равно 100 КПа.

π₂(λ) = = = 0,9964

π₃(λ) = = = 0,9976

г) Используя ф-лу (8-14), находим коэффициент скорости λ.

π (λ) =

При к=1,4 λ = λ₁ = =

= = 0,0586; λ₂ = =

= = 0,0786; λ₃ = =

= = 0,0642.

д) Согласно справочным данным скорость звука в покоящемся воздухе при 20⁰С равна С₀=340 , а при30⁰С С₀=349 Формула (8-15) позволяет оценить критическую скорость в потоке воздуха:

С_кр = с₀ = 349 = 319 .

Оценим скорость воздуха, используя значение коэффициента скорости λ= .

u₁ =λ₁∙С_кр= 0,0586∙319 = 18,7 ;

u₂ = λ₂∙С_кр= 0,0786∙319 = 25,1 ;

u₃ = λ₃∙С_кр= 0,0642∙319 = 20,5 .

Совпадение рассчитанных данных скорости воздуха с помощью газодинамических функций и экспериментальных данных вполне удовлетворительное, что позволяет сделать вывод о адиабатном режиме движения газа.

е) Массовый расход газа по длине трубопровода является ве-личиной неизменной. В общем случае его расчёт является достаточно сложной задачей. В рассматриваемом случае приближённо его можно найти, используя соотношение (8-19):Q_m = ∙ρ_ср ∙u_ср; ρ_ср=1,17 ; u_ср= ;u_ср= = 21,4 .

Q_m = ∙1,17 ∙21,4 = 0,042 .

ж) Для нахождения потерь давления на трение используем формулы (8-20) - (8-23). Вначале определяем число Рейнольдса:Re= = Коэффициент динамической вязкости воздуха при температуре 30⁰С = 1,86∙ 10^-5Па∙ с

Re= = 6,19 ∙10⁴= 61900.

Согласно данным гидродинамики, это число Рейнольдса соответствует турбулентному движению газа. Для нахождения коэффициента гидравлического трения газа _тр прежде всего необходимо найти область турбулентного движения, в которой находится данное число Рейнольдса. Определяем соотношение . Для стальной трубы (см. табл. в лабораторной работе 4) подбираем значение эквивалентной шероховатости = 0,1 мм. = = 460. Следовательно, эта область движения соответствует формуле:

10 <Re< 560 10 ∙460 < 61900 < 560 ∙460;

4600< 61900 <257600. Для этой области расчёт _тр рекомендуется проводить по ф-ле Альтшуля:

λ_тр = 0,11 ( + )^0,25 = 0,11 ( + )^0,25 ;

_тр = 0,11 (32,73∙10^-4)^0,25 = 0,11∙ 0,239 = 0,026.

Определим потери давления на трение:

∆Р_тр =

Потери давления на трение по всей длине трубопровода (между сечениями 1-3):

∆Р_тр = = 83 Па

Полученные приближённые данные потерь давления на трение составляют примерно 5% от первоначального (избыточного) давления.

Выводы.

Контрольные вопросы.

1.Что понимают под рабочей средой в пневмоприводах?2.Как меняются объём и плотность газа при его движении в трубопроводе?3.Каким образом связаны статическое и полное давление в газах при его движении?

4.Каким образом можно определить динамическое давление в потоке газа?

5.Что такое коэффициент скорости и число Маха для газа? 6.Каким образом в данной работе измеряются статическое и полное давлениегаза?

7. Поясните, как можнооценить потери давления на трение в трубопроводе при небольших его изменениях?